專(zhuān)利名稱(chēng)：：相干陣列激光逆達(dá)曼光柵合束孔徑裝填裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及高功率激光器系統(tǒng)，特別是一種相干陣列激光逆達(dá)曼光柵的合束孔徑裝填裝置。
背景技術(shù)：
：隨著激光應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，在激光雷達(dá)等領(lǐng)域需要高功率、高質(zhì)量和高亮度的激光束，而且朝著小型化、全固態(tài)化、大功率化方向發(fā)展。一般來(lái)說(shuō)，從單個(gè)激光器獲得的輸出功率是很有限的，建立高功率激光系統(tǒng)的一種有效的技術(shù)方案是使用激光器陣列，并且要求從陣列元件中輸出的所有光束能夠相干合成為單一光束。其中采用衍射光學(xué)元件具有衍射效率高、體積小、調(diào)節(jié)方便和可以大量復(fù)制等特點(diǎn)，受到國(guó)內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注。相干合束一般來(lái)說(shuō)是把多通道的相干陣列激光組合成一個(gè)單通道的技術(shù)，孔徑裝填是把相干激光陣列的每個(gè)激光輸出波面全部填充充滿整個(gè)激光陣列口徑的技術(shù)。介于兩者之間的技術(shù)稱(chēng)為合束孔徑裝填技術(shù)，即產(chǎn)生一個(gè)單一光束波面，其輸出光束孔徑可以變化控制，能夠介于單元口徑和陣列孔徑之間。在先技術(shù)[l](參見(jiàn)G.J.Swanson，J.R.LegerandM.Holz,Aperturefillingofphase-lockedlaserarrays,Opt.Lett.,12，245-247，1987)中利用光學(xué)傅立葉變換相位濾波和兩值相位校正方法，實(shí)現(xiàn)激光陣列的孔徑裝填。傅立葉相位濾波可以把陣列激光束轉(zhuǎn)化為兩值周期性位相分布光場(chǎng)，使得原來(lái)的振幅周期脈沖串成為一個(gè)無(wú)間斷的等幅度周期相位變化的連續(xù)波面，通過(guò)相位校正板再變?yōu)闊o(wú)間斷的等幅度同相位連續(xù)波面得到了遠(yuǎn)場(chǎng)單一主瓣這種技術(shù)適用于振幅兩值分布的陣列光束，但是不適用于振幅連續(xù)分布的激光光束如高斯光束。在先技術(shù)[2](參見(jiàn)L.LiuandL.Zhao，Aperturefillingofaphase-lockedlaserarraybyphasecorrectionwithself-imaging,ChinesePhysics,9,810-814,1989)中利用分?jǐn)?shù)泰伯自成像效應(yīng)在鎖相陣列后一定距離放置相位補(bǔ)償板的孔徑裝填方法，得到了遠(yuǎn)場(chǎng)單一主瓣。激光陣列看成是一種具有特定占空比的振幅型周期結(jié)構(gòu)的振幅光柵。根據(jù)泰伯自成像理論，在一定的分?jǐn)?shù)泰伯距離處，等相周期振幅結(jié)構(gòu)通過(guò)菲涅耳衍射可轉(zhuǎn)化為等幅周期位相結(jié)構(gòu)。由泰伯自成像衍射的頻率倍增效應(yīng)，倍增的脈沖串將剛好填滿原間隔光源的空檔，使得原來(lái)的周期脈沖串成為一個(gè)無(wú)間斷的等幅度連續(xù)波面，即獲得有恒定振幅同相波面，從而可以消除高階衍射級(jí)次的產(chǎn)生，得到遠(yuǎn)場(chǎng)強(qiáng)度的單一主瓣，這種技術(shù)適用于振幅兩值分布而且可以連續(xù)周期排布的陣列光束，但是不適用于振幅連續(xù)分布的激光光束如高斯光束，而且對(duì)于較大單個(gè)孔徑尺度的陣列要求有較長(zhǎng)的衍射距離。在先技術(shù)[3](參見(jiàn)R.M.Jenkins,R.W.J.Devereux，andJ.M.Heaton,Waveguidebeamsplittersandrecombinersbasedonmultimodepropagationphenomena,Opt.Lett,17,991-993，1992)，基于光波導(dǎo)自成像效應(yīng)的多模干涉耦合器可以實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)分束和合束，在滿足一定的條件下可以進(jìn)行多路光束的相干合成。但是，由于受波導(dǎo)條件的空間尺度限制，激光陣列單元數(shù)在波導(dǎo)尺度的微小空間內(nèi)不能很多，因此對(duì)輸出功率的進(jìn)一步提高有很大限制。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種相干陣列激光逆達(dá)曼光柵合束孔徑裝填裝置。該裝置應(yīng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定可靠，能大幅度提高激光器輸出功率和亮度以及適當(dāng)光束輸出口徑的激光光束。本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種相干陣列激光逆達(dá)曼光柵合束孔徑裝填裝置，其特點(diǎn)在于該裝置依次由同軸的相干激光陣列、譜分布相位板、傅立葉變換透鏡和逆達(dá)曼光柵構(gòu)成，所述的譜分布相位板和逆達(dá)曼光柵分別放置于所述的傅立葉變換透鏡的物面和頻譜面上。等光強(qiáng)的相千激光陣列輸入光束經(jīng)譜分布相位板后和傅立葉變換透鏡變換后，在該傅立葉變換透鏡后焦面上的光場(chǎng)用逆達(dá)曼光柵進(jìn)行相位補(bǔ)償后，可輸出一定口徑的同相位單一光束，實(shí)現(xiàn)相干激光陣列合束，同時(shí)實(shí)現(xiàn)孔徑裝填。該裝置不僅可以實(shí)現(xiàn)相干陣列激光合束，大大提高了遠(yuǎn)場(chǎng)光束亮度，而且光束口徑可以變化控制，產(chǎn)生不同于單光束口徑和陣列總口徑的輸出光束。所述的相干激光陣列為鎖相的相干激光陣列光束，可以是激光二極管陣列、光纖激光陣列、固體激光器陣列或氣體激光器陣列產(chǎn)生的激光陣列光束。所述的相干激光陣列可以為一維周期陣列或二維周期結(jié)構(gòu)陣列。所述的達(dá)曼光柵為一優(yōu)化設(shè)計(jì)的純相位光柵，其功能是在傅立葉譜面上能產(chǎn)生特定衍射級(jí)次的間距相等和有限個(gè)數(shù)的等光強(qiáng)光點(diǎn)陣列，所述的達(dá)曼光柵位于傅立葉透鏡的前焦面，傅立葉譜面即為傅立葉透鏡的后焦面；所述的譜分布相位板是由達(dá)曼光柵的傅立葉譜面上特定衍射級(jí)次的等強(qiáng)度分布光場(chǎng)的相位制作成的相位板。所述的逆達(dá)曼光柵的相位分布是達(dá)曼光柵的相位分布的復(fù)數(shù)共軛。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果1.逆達(dá)曼光柵方法屬于遠(yuǎn)場(chǎng)衍射原理，陣列面和光柵面為光學(xué)傅立葉變換關(guān)系，操作可靠，易于實(shí)現(xiàn)；2.原理簡(jiǎn)單，只需設(shè)計(jì)出達(dá)曼光柵作為陣列分束時(shí)的相位分布，對(duì)達(dá)曼光柵相位分布取復(fù)共軛即可得到逆達(dá)曼光柵。3.逆達(dá)曼光柵合束孔徑裝填能獲得可以變化控制的適當(dāng)大小的光束口徑，其口徑可以不同于單元光束口徑和陣列光束總口徑，因此能夠有效控制輸出面上的功率密度和遠(yuǎn)場(chǎng)光束寬度；4.陣列光束的振幅可以為兩值分布或者連續(xù)分布，特別適用于振幅連續(xù)分布的高斯型激光光束。圖1為本發(fā)明相千陣列激光逆達(dá)曼光柵合束孔徑裝填裝置示意圖。圖2為達(dá)曼光柵分束原理示意圖。圖中11-相干激光陣列，12-譜分布相位板，13-傅立葉變換透鏡，14-逆達(dá)曼光柵。21-達(dá)曼光柵，22-傅立葉變換透鏡，23-傅立葉譜面。具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖與實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。本發(fā)明的相千陣列激光逆達(dá)曼光柵合束孔徑裝填裝置的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，由圖可見(jiàn)，本發(fā)明相干陣列激光逆達(dá)曼光柵合束孔徑裝填裝置，依次由同光軸的相干激光陣列l(wèi)l、譜分布相位板12、傅立葉變換透鏡13和逆達(dá)曼光柵14構(gòu)成，所述的譜分布相位板12和逆達(dá)曼光柵14分別放置于所述的傅立葉變換透鏡13的物面和頻譜面上。所述的相干激光陣列11的排列方式與達(dá)曼光柵21分束時(shí)在傅立葉透鏡的后焦面即傅立葉譜面23上特定衍射級(jí)次產(chǎn)生的間距相等的有限個(gè)等光強(qiáng)的光點(diǎn)陣列分布相同，可以設(shè)計(jì)為一維周期陣列或兩維周期陣列。所述的達(dá)曼光柵21是一種能產(chǎn)生特定衍射級(jí)次數(shù)目的周期性純相位分布的光柵，將達(dá)曼光柵21置于傅立葉變換透鏡22前焦面上，經(jīng)一定振幅的入射光照射，在傅立葉譜面23上得到間距相等的有限個(gè)數(shù)的等光強(qiáng)且具有一定相位分布的陣列光場(chǎng)，如圖2所示。所述的達(dá)曼光柵21位于傅立葉變換透鏡22的前焦面上，所述的傅立葉譜面23為傅立葉變換透鏡22的后焦面。所述的譜分布相位板12是依據(jù)達(dá)曼光柵21在傅立葉譜面23上光場(chǎng)的相位分布制作成的相位板。所述的逆達(dá)曼光柵14為純相位光柵，與達(dá)曼光柵21的相位分布是復(fù)共軛關(guān)系，達(dá)曼光柵21和逆達(dá)曼光柵14均可以為二值或多值的純相位光柵。所述的相干激光陣列11位于傅立葉變換透鏡13的前焦面上，所述的逆達(dá)曼光柵14位于傅立葉變換透鏡13的后焦面上。達(dá)曼光柵的功能說(shuō)明如下達(dá)曼光柵是一種產(chǎn)生特定衍射綠次數(shù)目的典型的二元光學(xué)衍射元件，將達(dá)曼光柵置于傅立葉變換透鏡前，經(jīng)一定振幅的光波照射，在傅立葉變換透鏡的后焦面上得到間距相等的有限個(gè)數(shù)的等光強(qiáng)的光點(diǎn)陣列分布。達(dá)曼光柵21是一種純相位光柵，其透過(guò)率函數(shù)為0000gi)O，力-I>xp"[A^p(x—附t;—Ax)]}Zexp()[A^o(x，"7;—Ay)]}，(1)其中K、7;和Ax、Ay分別為x、y方向達(dá)曼光柵的周期和中心移位，在達(dá)曼光柵21周期內(nèi)具有亞周期相位結(jié)構(gòu)A^^。衍射MXiV級(jí)點(diǎn)的理想二維達(dá)曼光柵的譜即傅立葉變換為(2)式中^、A為空間頻率，CM、Cw為常數(shù)，Z/Oo/》為高階衍射項(xiàng)，對(duì)于奇數(shù)MA'有附=0,±1，±2,...,±(亙—1)/2，"=0,±1,±2，...,±(W-1)/2,對(duì)于偶數(shù)M^,有附=0,±1,±3，...,±(屜—1)，w=0,±l，±3,...，±(iV—1)。因此，在理想設(shè)計(jì)下//(人,/》《0，達(dá)曼光柵21在傅立葉譜面23上可產(chǎn)生給定MXW衍射級(jí)次的光強(qiáng)相等、相位一定的光點(diǎn)陣列，于是可把不同衍射級(jí)次對(duì)應(yīng)的相位分布A伊(w,w)制作成譜分布相位板12，而且對(duì)達(dá)曼光柵21的相位分布取復(fù)數(shù)共軛可得到逆達(dá)曼光柵14。基于逆達(dá)曼光柵的相干陣列激光合束孔徑裝填的過(guò)程如下假設(shè)鎖相的相干激光陣列11的陣列分布光場(chǎng)為ei(x,y)=e,">o**Z5>(x—wra>%—"7>)，(3)附"其中e,Oc，力為單元激光束光場(chǎng)分布，ra、7>陣列光束的周期。譜分布相位板12的透過(guò)率函數(shù)為PO，力=I]!^(x-mra》0-)exp[/A"附，")]'(4)于是相干激光陣列加入譜分布相位板后的光場(chǎng)，經(jīng)焦距為/的傅立葉變換透鏡13后，在后焦面上的光場(chǎng)分布為五2"力-1^、(5)其中FU為傅立葉變換算符。/=丄/"=上AV，乂'義/-在傅立葉變換透鏡13的后焦面上加入逆達(dá)曼光柵14進(jìn)行相位補(bǔ)償后獲得相干陣列合束孔徑裝填后的輸出光場(chǎng)為:e20,力=gD*(-"g。*(-力五20，力，(6)其中g(shù);(-x)^(-力是逆達(dá)曼光柵光場(chǎng)分布函數(shù)，"*"表示復(fù)數(shù)共軛。在理想設(shè)計(jì)條件下，&"力=^^^",{0,力}，(7)于是得到特定振幅分布的單一光束輸出，從而實(shí)現(xiàn)相干激光陣列逆達(dá)曼光柵的合束孔徑裝填。需要說(shuō)明的是由于高斯函數(shù)的傅立葉變換仍然是高斯函數(shù)，因此陣列激光為高斯函數(shù)時(shí)輸出激光仍然為高斯光束，其遠(yuǎn)場(chǎng)分布也是高斯光束。由于單模激光基本上采用高斯光束表達(dá)，因此具有高度有效性。下面通過(guò)實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明波長(zhǎng)1.55pm的32X32個(gè)相干光纖激光器陣列，每個(gè)激光器輸出光場(chǎng)為對(duì)稱(chēng)高斯型振幅即iCexp(-^)exp(-4")，其中K為常數(shù)，在兩個(gè)垂直正交方向以等周期100pm排成32X32的正方形面陣，對(duì)稱(chēng)放置在達(dá)曼光柵的士l，±3,±5，±7,±9,±11,±13,±15,±17，±19,±21，±23,±25，±27,±29,±31級(jí)的衍射級(jí)次上。陣列平面波腰寬度(2wf)為10pm，傅立葉變換透鏡口徑8.386mm，焦距20.268mm。譜分布相位板12相位的一維分布如表1所示，將此分布對(duì)應(yīng)于x、y軸，即可得到二維相位分布。逆達(dá)曼光柵14一個(gè)周期內(nèi)相位的一維分布如表2所示，將此分布對(duì)應(yīng)于;c、y軸，即可得到二維達(dá)曼光柵。逆達(dá)曼光柵14一個(gè)周期內(nèi)突變點(diǎn)的對(duì)數(shù)為17對(duì)，其中fl,，6,.表示一對(duì)突變點(diǎn)的坐標(biāo)，坐標(biāo)a,.，Z),之間相位為0，坐標(biāo)6,.，a,w之間相位為"。在理想設(shè)計(jì)條件下，合束孔徑裝填后光場(chǎng)分布為A:e鄧(-4)exp(-4)，為一高斯型振幅分布單一光束，合束的波腰寬度(2^)為0.314mm。表1譜分布相位板12—維相位分布<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>表2逆達(dá)曼光柵14一個(gè)周期內(nèi)相位的一維分布二值相位0和"，一個(gè)周期內(nèi)的突變點(diǎn)對(duì)數(shù)17<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>權(quán)利要求1、一種相干陣列激光逆達(dá)曼光柵合束孔徑裝填裝置，其特征在于該裝置依次由同軸的相干激光陣列(11)、譜分布相位板(12)、傅立葉變換透鏡(13)和逆達(dá)曼光柵(14)構(gòu)成，所述的譜分布相位板(12)和逆達(dá)曼光柵(14)分別放置于所述的傅立葉變換透鏡(13)的物面和頻譜面上。2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的相干陣列激光逆達(dá)曼光柵合束孔徑裝填裝置，其特征在于所述的相干激光陣列(11)為鎖相相干的激光陣列，由激光二極管陣列、光纖激光陣列、固體激光器陣列或氣體激光器陣列產(chǎn)生的激光陣列。3、根據(jù)權(quán)利要求1所述的相干陣列激光逆達(dá)曼光柵合束孔徑裝填裝置，其特征在于所述的相干激光陣列為一維周期陣列，或二維周期結(jié)構(gòu)陣列。全文摘要一種相干陣列激光逆達(dá)曼光柵合束孔徑裝填裝置，該裝置依次由同光軸的相干激光陣列、譜分布相位板、傅立葉變換透鏡和逆達(dá)曼光柵構(gòu)成，所述的譜分布相位板和逆達(dá)曼光柵分別放置于所述的傅立葉變換透鏡的物面和頻譜面上。本發(fā)明可將陣列相干激光組束并裝填成單一光束，達(dá)到大幅提升激光器輸出功率和光束質(zhì)量的目的，具有結(jié)構(gòu)和原理簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定可靠的特點(diǎn)，能夠控制輸出光束尺寸及其遠(yuǎn)場(chǎng)光束寬度，可廣泛應(yīng)用于需要大功率激光發(fā)射源的相關(guān)領(lǐng)域，特別適用于激光雷達(dá)、激光武器等領(lǐng)域，對(duì)于發(fā)展緊湊型、輕量化和高光束質(zhì)量的高功率激光器系統(tǒng)具有實(shí)際意義。文檔編號(hào)H01S5/00GK101592783SQ20091005342公開(kāi)日2009年12月2日申請(qǐng)日期2009年6月19日優(yōu)先權(quán)日2009年6月19日發(fā)明者劉立人,孫建鋒,戴恩文,閆愛(ài)民申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所